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Die vorliegende Erfindung betrifft ein lastschaltbares Mehrstufengetriebe in Planetenbauweise mit integrierter Elektromaschine für einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Automatgetriebe, insbesondere für Kraftfahrzeuge, umfassen nach dem Stand der Technik Planetenradsätze, die mittels Reibungs- bzw. Schaltelementen, wie etwa Kupplungen und Bremsen, geschaltet werden und üblicherweise mit einem einer Schlupfwirkung unterliegenden und wahlweise mit einer Überbrückungskupplung versehenen Anfahrelement, wie etwa einem hydrodynamischen Drehmomentwandler oder einer Strömungskupplung, verbunden sind.
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Automatisch schaltbare Fahrzeuggetriebe in Planetenbauweise im Allgemeinen sind im Stand der Technik bereits vielfach beschrieben und unterliegen einer permanenten Weiterentwicklung und Verbesserung. So sollen diese Getriebe einen geringen Bauaufwand, insbesondere eine geringe Anzahl an Schaltelementen, erfordern und bei sequentieller Schaltweise Doppelschaltungen, d.h. ein Zu- bzw. Abschalten von zwei Schaltelementen vermeiden, so dass bei Schaltungen in definierten Ganggruppen jeweils nur ein Schaltelement gewechselt wird. Ferner soll mittels derartiger Getriebe der Spritverbrauch gesenkt werden, was einerseits durch Reduzierung der internen Getriebeverluste und andererseits durch Betreiben des Verbrennungsmotors im idealen Betriebspunkt erfolgen kann. Um den Verbrennungsmotor in seinem idealen Betriebspunkt zu betreiben, ist es insbesondere wichtig, bei einer großen Getriebespreizung kleine Gangsprünge zu realisieren, was in der Erhöhung der Anzahl der Gänge resultiert.
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Aus der
DE 10 2012 212 257 A1 der Anmelderin geht ein lastschaltbares Mehrstufengetriebe in Planetenbauweise für einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs hervor, mit drei gekoppelten einfachen Minus-Planetenradsätzen, mehreren Schaltelementen und mit wenigstens einer Elektromaschine, die einer Welle innerhalb des Getriebes zugeordnet ist, wobei bei einem ersten Planetenradsatz das Hohlrad mit einem gehäusefesten Bauteil verbindbar und der Planetenträger mit dem Hohlrad eines zweiten Planetenradsatzes antriebsverbunden ist, wobei bei dem zweiten Planetenradsatz der Planetenträger mit dem Hohlrad eines dritten Planetenradsatz verbunden und das Sonnenrad von einer Getriebeeingangswelle antreibbar ist und wobei bei dem dritten Planetenradsatz der Planetenträger mit einer Getriebeausgangswelle verbunden ist. Ein einfacher Minus-Planetenradsatz umfasst bekanntlich ein Sonnenrad, ein Hohlrad und einen Steg, an dem Planetenräder drehbar gelagert sind, die jeweils mit Sonnenrad und Hohlrad kämmen. Hierdurch weist das Hohlrad bei festgehaltenem Steg eine zum Sonnenrad entgegengesetzte Drehrichtung auf. Demgegenüber umfasst ein einfacher Plus-Planetenradsatz ein Sonnenrad, ein Hohlrad und einen Steg, an dem innere und äußere Planetenräder drehbar gelagert sind, wobei alle inneren Planetenräder mit dem Sonnenrad und alle äußeren Planetenräder mit dem Hohlrad kämmen, wobei jedes innere Planetenrad mit jeweils einem äußeren Planetenrad kämmt. Hierdurch weist das Hohlrad bei festgehaltenem Steg die gleiche Drehrichtung auf wie das Sonnenrad und es ergibt sich eine positive Standgetriebeübersetzung.
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Bei dem bekannten Getriebe ist vorgesehen, dass die Schaltelemente als Klauenschaltelemente ausgeführt sein können, dass das Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes mit dem gehäusefesten Bauteil verbunden ist und dass das Sonnenrad des dritten Planetenradsatzes mit dem gehäusefesten Bauteil und mit dem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes verbindbar ist.
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Mit Hilfe der Elektromaschine erfolgt eine Zugkraftstützung bei Schaltungen im Hybridbetrieb, wobei ein elektrodynamisches Anfahren (EDA-Betrieb) ermöglicht wird. Hierbei wird über einen oder mehrere Planetenradsätze des Getriebes eine Drehzahlüberlagerung der Drehzahl des Verbrennungsmotors, der Drehzahl der Elektromaschine und der Getriebeabtriebswellendrehzahl erzielt, sodass ein Anfahren aus dem Stillstand bei laufendem Verbrennungsmotor möglich ist, wobei die Elektromaschine mit einem für den Anfahrvorgang geeigneten Gegenmoment ein Drehmoment des Verbrennungsmotors abstützt.
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Ferner werden bei dem bekannten Getriebe die Schaltungen 2–3 und 3–4 derart ausgeführt, dass die Elektromaschine mit einer festen Übersetzung zum Abtrieb hin verbunden ist und die Zugkraft nur elektromotorisch stützt, während im Hintergrund durch den Verbrennungsmotor eine lastfreie Schaltung wie bei einem automatisierten Schaltgetriebe ausgeführt wird. Derartige, sogenannte abtriebsgestützte Schaltungen können zu einer Verminderung der Fahrleistung während der Schaltung führen, wenn der Verbrennungsmotor im Verhältnis zur Elektromaschine leistungsstärker ausgeführt ist.
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Zudem werden die Schaltungen 1–2 und 4–5 derart ausgeführt, dass im Rahmen einer elektrodynamischen Schaltung (EDS), auch EDA-Schaltung genannt, analog zum elektrodynamischen Anfahren über einen oder mehrere Planetenradsätze eine Drehzahlüberlagerung der Drehzahl des Verbrennungsmotors, der Drehzahl der Elektromaschine und der Getriebeabtriebswellendrehzahl erzielt wird, wobei zum Schaltungsbeginn die Drehmomente der Elektromaschine und des Verbrennungsmotors derart angepasst werden, dass das auszulegende Schaltelement lastfrei wird. Nach dem Öffnen des auszulegenden Schaltelementes erfolgt eine Drehzahlanpassung unter Erhaltung der Zugkraft, derart, dass das einzulegende Schaltelement synchron wird, wobei nach dem Schließen des einzulegenden Schaltelementes die Lastaufteilung zwischen Verbrennungsmotor und Elektromaschine je nach Hybrid-Betriebsstrategie erfolgt. Bei derartigen Schaltungen tritt keine Verminderung der Fahrleistung während der Schaltung auf, da die Fahrleistung durch den Verbrennungsmotor und die Elektromaschine aufgebracht wird.
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Bei dem aus der
DE 10 2012 212 257 A1 bekannten Getriebe kann ein rein elektrischer Fahrbetrieb mit zwei Übersetzungen d.h. mit zwei elektromotorisch angetriebenen Gängen realisiert werden, wobei im rein elektrischen Fahrbetrieb in vorteilhafter Weise die Getriebeeingangswelle nicht mitdreht, wodurch die Notwendigkeit einer zusätzlichen Kupplung zum Trennen des Verbrennungsmotors vom Antriebsstrang entfällt. Die Gänge des rein elektrischen Fahrbetriebs werden zur Realisierung eines Rückwärtsgangs benötigt, da das Getriebe keinen mechanischen Rückwärtsgang aufweist. Hierbei kann in einem der zwei möglichen Gänge des rein elektrischen Fahrbetriebs der Verbrennungsmotor in die Gänge 2, 3 oder 4 durch Schließen jeweils eines weiteren Schaltelementes ohne Zugkraftunterbrechung hinzugeschaltet werden, wobei das Anlassen des Verbrennungsmotors beispielweise mittels eines separaten Starters erfolgen kann. In nachteiliger Weise kann jedoch der Verbrennungsmotor im anderen Gang des rein elektrischen Fahrbetriebs nur mit Zugkraftunterbrechung hinzugeschaltet werden, da die Getriebeeingangswelle in diesem Gang festgebremst wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem genannten Stand der Technik ein lastschaltbares Mehrstufengetriebe in Planetenbauweise mit integrierter Elektromaschine für einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs anzugeben, welches mindestens fünf mechanische Vorwärtsgänge und zwei Vorwärtsgänge im rein elektrischen Fahrbetrieb aufweist, bei dem in allen verfügbaren Gängen im rein elektrischen Fahrbetrieb der Verbrennungsmotor in möglichst passende Gänge unter Erhaltung der Zugkraft hinzugeschaltet werden kann. Ferner sollen der Bauaufwand, die Bauteilbelastung und die Baugröße optimiert werden und zudem der Wirkungsgrad hinsichtlich der Schlepp- und Verzahnungsverluste verbessert werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Demnach wird ein erfindungsgemäßes lastschaltbares Mehrstufengetriebe in Planetenbauweise mit integrierter Elektromaschine für einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, welches einen Antrieb und einen Abtrieb aufweist, die in einem Gehäuse angeordnet sind. Des Weiteren sind drei Planetenradsätze, im Folgenden als erster, zweiter und dritter Planetenradsatz bezeichnet, sechs drehbare Wellen – im Folgenden als Antriebswelle, Abtriebswelle, dritte, vierte, fünfte und sechste Welle bezeichnet – sowie mindestens fünf vorzugsweise als formschlüssige Schaltelemente ausgeführte Schaltelemente, umfassend eine Bremse und vier Kupplungen, vorgesehen, deren selektives Eingreifen verschiedene Übersetzungsverhältnisse zwischen dem Antrieb und dem Abtrieb bewirkt.
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Die Planetenradsätze des Getriebes sind vorzugsweise als Minus-Planetenradsätze ausgebildet.
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Gemäß der Erfindung ist das Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes mit der Antriebswelle drehfest verbunden, wobei die vierte Welle mit dem Steg des ersten Planetenradsatzes drehfest verbunden und über eine Bremse an ein Gehäuse des Getriebes ankoppelbar ist, wobei die mit dem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes drehfest verbundene fünfte Welle über eine zweite Kupplung mit der mit dem Steg des dritten Planetenradsatzes drehfest verbundenen Abtriebswelle des Getriebes lösbar verbindbar ist und über eine vierte Kupplung mit der mit dem Hohlrad des dritten Planetenradsatzes drehfest verbundenen dritten Welle lösbar verbindbar ist. Die dritte Welle ist über eine dritte Kupplung mit der vierten Welle lösbar verbindbar, wobei das Sonnenrad des dritten Planetenradsatzes an das Gehäuse gekoppelt ist. Ferner ist die fünfte Welle mit dem Rotor einer Elektromaschine drehfest verbunden oder über ein Bauteil zur Erzeugung einer konstanten Vorübersetzung, beispielsweise einen weiteren Planetenradsatz, eine Stirnradstufe oder einen Ketten- oder Riementrieb, wirkverbunden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine erste Kupplung vorgesehen, welche als Kupplung ausgeführt sein ist, die die Antriebswelle mit der sechsten Welle lösbar verbindet, welche mit dem Steg des zweiten Planetenradsatzes drehfest verbunden ist, wobei die Abtriebswelle mit dem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes drehfest verbunden ist und die vierte Welle mit dem Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes drehfest verbunden ist.
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Im Rahmen einer weiteren, funktionsgleichen Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Kupplung als Kupplung ausgeführt, welche die vierte Welle mit der sechsten Welle lösbar verbindet, wobei die sechste Welle mit dem Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes drehfest verbunden ist und wobei die Antriebswelle mit dem Steg des zweiten Planetenradsatzes drehfest verbunden ist und die Abtriebswelle mit dem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes drehfest verbunden ist.
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Im Rahmen einer dritten, funktionsgleichen Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Kupplung als Kupplung ausgeführt, welche die Abtriebswelle mit der sechsten Welle lösbar verbindet, wobei die sechste Welle mit dem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes drehfest verbunden ist und wobei die Antriebswelle mit dem Steg des zweiten Planetenradsatzes drehfest verbunden ist und die vierte Welle mit dem Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes drehfest verbunden ist.
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Die erste Kupplung bewirkt im geschlossenen Zustand, dass der zweite Planetenradsatz Drehmoment wandelt. Bei geöffneter erster Kupplung kann der zweite Planetenradsatz aufgrund der fehlenden Abstützung kein Drehmoment wandeln. Die unterschiedlichen Ausgestaltungen der ersten Kupplung sind wirkungsgleich.
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Um eine koaxiale Anordnung der Antriebs- und Abtriebswelle zu ermöglichen, sind die Planetenradsätze axial betrachtet antriebsseitig in Kraftflussrichtung im Zugbetrieb des Verbrennungsmotors, welcher mit dem Getriebe verbindbar ist, in der Reihenfolge erster Planetenradsatz, zweiter Planetenradsatz, dritter Planetenradsatz angeordnet, wobei zum Zweck einer Front-Quer- oder Heck-Quer-Anordnung die Reihenfolge axial betrachtet antriebsseitig in Kraftflussrichtung im Zugbetrieb des Verbrennungsmotors, welcher mit dem Getriebe verbindbar ist, dritter Planetenradsatz, zweiter Planetenradsatz, erster Planetenradsatz ist.
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Bei dieser Ausgestaltung sind fünf mechanische Vorwärtsgänge, d.h. verbrennungsmotorische Gänge, und zwei Vorwärtsgänge bei rein elektrischem Fahrbetrieb realisierbar, wobei der erste Vorwärtsgang durch Schließen der dritten Kupplung über eine EDA-Verschaltung geschaltet werden kann, wodurch elektrodynamisch angefahren wird. Hierbei wird eine Drehzahlüberlagerung der Drehzahl des Verbrennungsmotors, der Drehzahl der Elektromaschine und der Getriebeabtriebswellendrehzahl erzielt, so dass ein Anfahren aus dem Stillstand bei laufendem Verbrennungsmotor möglich ist, wobei die Elektromaschine mit einem für den Anfahrvorgang geeigneten Gegenmoment ein Drehmoment des Verbrennungsmotors abstützt. Die fünf erzielbaren mechanischen Vorwärtsgänge entsprechen dann den Vorwärtsgängen 2–6 des Getriebes.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann bei sonst unverändertem Getriebeaufbau ein weiteres Schaltelement, welches als Bremse ausgeführt ist, vorgesehen sein, durch dessen Schließen die fünfte Welle des Getriebes an ein Gehäuse des Getriebes ankoppelbar ist. Bei dieser Variante sind sechs mechanische Vorwärtsgänge, d.h. verbrennungsmotorische Gänge und zwei Vorwärtsgänge bei rein elektrischem Fahrbetrieb realisierbar.
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Gemäß der Erfindung kann im Rahmen funktionsgleicher Varianten zumindest einer der wie beschrieben als Minus-Planetenradsätze ausgeführten Planetenradsätze des Getriebes als Plus-Planetenradsatz ausgeführt sein, wenn gleichzeitig die Steg- und Hohlradanbindung getauscht und der Betrag der Standgetriebeübersetzung im Vergleich zu der Ausführung als Minus-Planetenradsatz um 1 erhöht wird.
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Im Rahmen weiterer Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Getriebes können jeweils zwei Schaltelemente in einem Doppelschaltelement zusammengefasst werden, wenn diese Schaltelemente eine gemeinsame Welle aufweisen und nicht in einem der Gänge gleichzeitig geschalten werden müssen.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Mehrstufengetriebes ergeben sich insbesondere für Personenkraftwagen geeignete Übersetzungen sowie eine erhöhte Gesamtspreizung, wodurch eine Verbesserung des Fahrkomforts und eine signifikante Verbrauchsabsenkung bewirkt werden.
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Darüber hinaus wird mit dem erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebe durch eine geringe Anzahl an Schaltelementen und Planetenradsätzen der Bauaufwand erheblich reduziert. Des Weiteren ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebe ein guter Wirkungsgrad in den Hauptfahrgängen bezüglich der Schlepp- und Verzahnungsverluste.
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Außerdem ist das erfindungsgemäße Getriebe derart konzipiert, dass eine Anpassbarkeit an unterschiedliche Triebstrangausgestaltungen sowohl in Kraftflussrichtung als auch in räumlicher Hinsicht ermöglicht wird. Das Getriebe kann beispielsweise in Front-Quer-Bauweise oder im Rahmen eines Standardantriebs eingebaut werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. In diesen stellen dar:
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1: eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebes;
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2: ein beispielhaftes Schaltschema für ein Mehrstufengetriebe gemäß 1;
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3: eine schematische Ansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebes;
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4: eine schematische Ansicht einer dritten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebes;
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5: eine schematische Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebes;
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6: eine schematische Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebes;
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7: eine schematische Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebes;
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8: eine schematische Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebes;
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9: ein beispielhaftes Schaltschema für ein Mehrstufengetriebe gemäß 8;
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10: eine schematische Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebes;
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11: eine schematische Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebes;
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12: eine schematische Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebes;
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13: eine schematische Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebes; und
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14: eine schematische Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrstufengetriebes.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Mehrstufengetriebe mit einer Antriebswelle 1, einer Abtriebswelle 2 und drei Planetenradsätzen RS1, RS2 und RS3 dargestellt, welche in einem Gehäuse G angeordnet sind. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel sind die Planetenradsätze als Minus-Planetenradsätze ausgebildet Gemäß der Erfindung kann im Rahmen funktionsgleicher Varianten zumindest einer der gemäß 1 als Minus-Planetenradsätze ausgeführten Planetenradsätze als Plus-Planetenradsatz ausgeführt sein, wenn gleichzeitig die Steg- und Hohlradanbindung getauscht und der Betrag der Standgetriebeübersetzung im Vergleich zu der Ausführung als Minus-Planetenradsatz um 1 erhöht wird.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Planetenradsätze RS1, RS2, RS3 axial betrachtet antriebsseitig in Kraftflussrichtung im Zugbetrieb des Verbrennungsmotors, welcher mit dem Getriebe verbindbar ist, in der Reihenfolge erster Planetenradsatz RS1, zweiter Planetenradsatz RS2, dritter Planetenradsatz RS3 angeordnet, wobei eine koaxiale Anordnung der Antriebs- und Abtriebswelle ermöglicht wird. Gemäß der Erfindung sind die axiale Reihenfolge der einzelnen Planetenradsätze und die Anordnung der Schaltelemente frei wählbar, solange es die Bindbarkeit der Elemente zulässt.
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Wie aus 1 ersichtlich, sind fünf Schaltelemente, nämlich eine Bremse 04 und vier Kupplungen 16, 25, 34, 35 vorgesehen. Die räumliche Anordnung der Schaltelemente kann beliebig sein und wird nur durch die Abmessungen und die äußere Formgebung begrenzt. Die Kupplungen und die Bremse des Getriebes sind vorzugsweise als formschlüssige Schaltelemente, beispielsweise als Klauenschaltelemente oder Synchronisierungen ausgeführt, einzelne oder sämtliche Schaltelemente können jedoch im Rahmen weiterer Ausgestaltungen als Reibschaltelemente bzw. Lamellenschaltelemente ausgeführt sein.
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Mit diesen Schaltelementen ist ein selektives Schalten von fünf mechanischen, d.h. verbrennungsmotorischen Vorwärtsgängen realisierbar. Das erfindungsgemäße Mehrstufengetriebe weist insgesamt sechs drehbare Wellen auf, die im Folgenden als Antriebswelle, Abtriebswelle, dritte, vierte, fünfte und sechste Welle bezeichnet werden, wobei die Antriebswelle die erste Welle 1 und die Abtriebswelle die zweite Welle 2 des Getriebes bilden.
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Erfindungsgemäß ist bei dem Mehrstufengetriebe gemäß 1 vorgesehen, dass das Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes RS1 mit der Antriebswelle 1 drehfest verbunden ist, wobei die vierte Welle 4 mit dem Steg des ersten Planetenradsatzes RS1 drehfest verbunden und über eine Bremse 04 an ein Gehäuse G des Getriebes ankoppelbar ist, wobei die mit dem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes RS1 drehfest verbundene fünfte Welle 5 über eine zweite Kupplung 25 mit der mit dem Steg des dritten Planetenradsatzes RS3 drehfest verbundenen Abtriebswelle 2 des Getriebes lösbar verbindbar ist und über eine vierte Kupplung 35 mit der mit dem Hohlrad des dritten Planetenradsatzes RS3 drehfest verbundenen dritten Welle 3 lösbar verbindbar ist. Erfindungsgemäß ist die dritte Welle 3 über eine dritte Kupplung 34 mit der vierten Welle 4 lösbar verbindbar, wobei das Sonnenrad des dritten Planetenradsatzes RS3 an das Gehäuse G gekoppelt ist (Welle 0). Die fünfte Welle 5 ist bei dem gezeigten Beispiel mit dem Rotor einer Elektromaschine EM drehfest verbunden, wobei im Rahmen weiterer Ausgestaltungen der Erfindung die fünfte Welle 5 mit der Elektromaschine EM über ein Bauteil zur Erzeugung einer konstanten Vorübersetzung, beispielsweise einen weiteren Planetenradsatz wirkverbunden sein kann, wodurch eine vorteilhafte Auslegung der Elektromaschine hinsichtlich der Drehzahlen und des Drehmomentes erzielt werden kann. Beispielsweise können durch die Wahl einer geeigneten Übersetzung des Bauteils zur Erzeugung einer konstanten Vorübersetzung die Drehzahlen der Elektromaschine EM erhöht und das Drehmoment verringert werden. Ferner kann die fünfte Welle 5 zur Realisierung einer achsparallelen, seitlichen Anordnung der Elektromaschine EM mit dem Rotor der Elektromaschine EM über eine Stirnradstufe oder einen Ketten- oder Riementrieb wirkverbunden sein.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung und bezugnehmend auf 1 ist zudem eine erste Kupplung vorgesehen, welche bei dem gezeigten Beispiel als Kupplung 16 ausgeführt ist, die die Antriebswelle 1 mit der sechsten Welle 6 lösbar verbindet, welche mit dem Steg des zweiten Planetenradsatzes RS2 drehfest verbunden ist, wobei die Abtriebswelle 2 mit dem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes RS2 drehfest verbunden ist und die vierte Welle 4 mit dem Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes RS2 drehfest verbunden ist.
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Bei dem in 1 gezeigten Getriebe können die Bremse 06 und die dritte Kupplung 34 und/oder die zweite und vierte Kupplung 25, 35 jeweils in einem Doppelschaltelement mit einem gemeinsamen Aktuator zusammengefasst werden, da diese Schaltelemente eine gemeinsame Welle aufweisen und nicht in einem der Gänge gleichzeitig geschalten werden müssen. Dies resultiert in vorteilhafter Weise in einem geringen Bauaufwand und entsprechend geringeren Kosten.
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In 2 ist ein beispielhaftes Schaltschema eines Mehrstufengetriebes gemäß 1 dargestellt. Das Mehrstufengetriebe weist fünf mechanische Vorwärtsgänge auf, die bei dem gezeigten Beispiel die Vorwärtsgänge 2–6 des Getriebes bilden. Für jeden mechanischen Vorwärtsgang werden zwei Schaltelemente geschlossen. Aus 2 wird ersichtlich, dass bei sequentieller Schaltweise der mechanischen Vorwärtsgänge jeweils nur ein Schaltelement zugeschaltet und ein Schaltelement abgeschaltet werden muss, da zwei benachbarte Gangstufen ein Schaltelement gemeinsam benutzen. Ferner weist das Getriebe zwei elektromotorisch angetriebene Vorwärtsgänge, d.h. Gänge im rein elektrischen Fahrbetrieb auf, die in 2 mit E1 und E2 bezeichnet sind.
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Der erste Vorwärtsgang EDA des Getriebes wird bei dem gezeigten Beispiel durch Schließen der dritten Kupplung 34 über eine EDA-Verschaltung geschaltet, wodurch elektrodynamisch bis zum Einlegen des zweiten Vorwärtsgangs angefahren wird. Hierbei wird im ersten, zweiten und dritten Planetenradsatz RS1, RS2, RS3 eine Drehzahlüberlagerung der Drehzahl des Verbrennungsmotors, der Drehzahl der Elektromaschine EM und der Getriebeabtriebswellendrehzahl erzielt, so dass ein Anfahren aus dem Stillstand bei laufendem Verbrennungsmotor möglich ist, wobei die Elektromaschine mit einem für den Anfahrvorgang geeigneten Gegenmoment ein Drehmoment des Verbrennungsmotors abstützt. Ferner kann im EDA-Betrieb bis zum zweiten, dritten oder vierten Vorwärtsgang gefahren werden, wobei durch Schließen des weiteren, dem jeweiligen Gang zugeordneten Schaltelementes der EDA-Betrieb beendet und der entsprechende Vorwärtsgang des Getriebes geschaltet wird. Durch Schließen der zweiten, vierten oder ersten Kupplung 25, 35, 16 wird somit der zweite, dritte bzw. vierte Vorwärtsgang des Getriebes geschaltet.
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Der zweite Vorwärtsgang ergibt sich durch Schließen der zweiten und der dritten Kupplung 25, 34, der dritte Vorwärtsgang durch Schließen der dritten und vierten Kupplung 34, 35, der vierte Vorwärtsgang durch Schließen der ersten und dritten Kupplung 16, 34, der fünfte Vorwärtsgang durch Schließen der ersten und zweiten Kupplung 16, 25 und der sechste Vorwärtsgang ergibt sich durch Schließen der Bremse 04 und der ersten Kupplung 16. Zur Realisierung zumindest eines Rückwärtsgangs werden die Gänge des rein elektrischen Fahrbetriebs bei Drehrichtungsumkehr der Elektromaschine EM geschaltet. Gemäß der Erfindung ergeben sich auch bei gleichem Getriebeschema je nach Schaltlogik unterschiedliche Gangsprünge, so dass eine anwendungs- bzw. fahrzeugspezifische Variation ermöglicht wird.
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Der erste elektromotorisch angetriebene Vorwärtsgang E1 ergibt sich durch Schließen der vierten Kupplung 35, wobei in diesem Gang ein Hinzuschalten des Verbrennungsmotors unter Erhaltung der Zugkraft durch Schließen der dritten Kupplung 34 durchgeführt werden kann; hierbei ergibt sich der dritte Vorwärtsgang. Der zweite elektromotorisch angetriebene Vorwärtsgang E2 ergibt sich durch Schließen der zweiten Kupplung 25, wobei in diesem Gang ein Hinzuschalten des Verbrennungsmotors unter Erhaltung der Zugkraft in den zweiten Vorwärtsgang durch Schließen der dritten Kupplung 34 und in den fünften Vorwärtsgang durch Schließen der ersten Kupplung 16 durchgeführt werden kann.
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In vorteilhafter Weise können die Schaltungen vom zweiten in den dritten Vorwärtsgang, vom dritten in den vierten Vorwärtsgang, vom vierten in den fünften Vorwärtsgang und vom fünften in den sechsten Vorwärtsgang als Lastschaltungen, nämlich als elektrodynamische Schaltungen (EDS), ausgeführt werden, wobei über einen oder mehrere Planetenradsätze des Getriebes eine Drehzahlüberlagerung der Drehzahl des Verbrennungsmotors, der Drehzahl der Elektromaschine und der Getriebeabtriebswellendrehzahl erzielt wird, wobei zum Schaltungsbeginn die Drehmomente der Elektromaschine und des Verbrennungsmotors derart angepasst werden, dass das auszulegende Schaltelement lastfrei wird und nach dem Öffnen des auszulegenden Schaltelementes eine Drehzahlanpassung unter Erhaltung der Zugkraft erfolgt, derart, dass das einzulegende Schaltelement synchron wird, wobei nach dem Schließen des einzulegenden Schaltelementes die Lastaufteilung zwischen Verbrennungsmotor und Elektromaschine je nach Hybrid-Betriebsstrategie erfolgt. Bei einer Schaltung vom zweiten in den dritten Vorwärtsgang und vom dritten in den vierten Vorwärtsgang bleibt die dritte Kupplung 34 geschlossen, wobei bei der Schaltung vom vierten in den fünften Vorwärtsgang und vom fünften in den sechsten Vorwärtsgang die erste Kupplung 16 geschlossen bleibt.
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Somit sind alle Schaltungen elektrodynamische Schaltungen, bei denen auch während der Schaltung gute Fahrleistungen erzielbar sind.
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Durch die erfindungsgemäße Konzeption wird in vorteilhafter Weise mittels der Elektromaschine EM des Getriebes bei allen Schaltungen die Zugkraft aufrechterhalten. Dies resultiert in einer Reduzierung der Schleppverluste und im Entfall der Notwendigkeit einer Anfahrkupplung oder eines Drehmomentwandlers mit Überbrückungskupplung.
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Das in 3 gezeigte funktionsgleiche Beispiel unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel gemäß 1 dadurch, dass die erste Kupplung als Kupplung 46 ausgeführt ist, welche die vierte Welle 4 mit der sechsten Welle 6 lösbar verbindet, wobei in diesem Fall die sechste Welle 6 mit dem Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes RS2 drehfest verbunden ist, die Antriebswelle 1 mit dem Steg des zweiten Planetenradsatzes RS2 drehfest verbunden ist und die Abtriebswelle 2 mit dem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes RS2 drehfest verbunden ist. Das dieser Ausgestaltung entsprechende Schaltschema entspricht dem Schaltschema nach 2 mit dem Unterschied, dass die Funktionalität der ersten Kupplung 16 gemäß 1 durch die Funktionalität der ersten Kupplung 46, welche die vierte Welle 4 mit der sechsten Welle 6 lösbar verbindet, ersetzt wird. Analog dazu bleibt bei einer EDS-Lastschaltung vom vierten in den fünften Vorwärtsgang und vom fünften in den sechsten Vorwärtsgang die erste Kupplung 46, welche die vierte Welle 4 mit der sechsten Welle 6 lösbar verbindet, geschlossen. Ferner kann der EDA-Betrieb durch Schließen der ersten Kupplung 46 gemäß 3 beendet werden, wodurch der vierte Vorwärtsgang des Getriebes geschaltet wird.
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Im Rahmen einer dritten, funktionsgleichen Ausgestaltung der Erfindung und bezugnehmend auf 4 ist die erste Kupplung als Kupplung 26 ausgeführt, welche die Abtriebswelle 2 mit der sechsten Welle 6 lösbar verbindet, wobei in diesem Fall die sechste Welle 6 mit dem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes RS2 drehfest verbunden ist, die Antriebswelle 1 mit dem Steg des zweiten Planetenradsatzes RS2 drehfest verbunden ist und die vierte Welle 4 mit dem Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes RS2 drehfest verbunden ist. Das dieser Ausgestaltung entsprechende Schaltschema entspricht dem Schaltschema nach 2 mit dem Unterschied, dass die Funktionalität der ersten Kupplung 16 gemäß 1 durch die Funktionalität der ersten Kupplung 26, welche die sechste Welle 6 mit der Abtriebswelle 2 lösbar verbindet, ersetzt wird. Analog dazu bleibt bei einer EDS-Lastschaltung vom vierten in den fünften Vorwärtsgang und vom fünften in den sechsten Vorwärtsgang die erste Kupplung 26, welche die Abtriebswelle 2 mit der sechsten Welle 6 lösbar verbindet, geschlossen. Ferner kann der EDA-Betrieb durch Schließen der ersten Kupplung 26 gemäß 4 beendet werden, wodurch der vierte Vorwärtsgang des Getriebes geschaltet wird.
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In 5, 6 und 7 sind funktionsgleiche Ausführungsbeispiele dargestellt, welche sich von den Getrieben gemäß 1, 3 bzw. 4 bei sonst unverändertem Getriebeaufbau dadurch unterscheiden, dass die Planetenradsätze axial betrachtet antriebsseitig in Kraftflussrichtung im Zugbetrieb des Verbrennungsmotors in der Reihenfolge dritter Planetenradsatz RS3, zweiter Planetenradsatz RS2, erster Planetenradsatz RS1 angeordnet sind, wodurch eine Front-Quer- oder Heck-Quer-Anordnung des Getriebes ermöglicht wird. Durch die unterschiedliche Anordnung der Planetenradsätze bleiben die Schaltschemata unverändert.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, die Gegenstand der 8 ist, ist ausgehend von einem Getriebe gemäß 1 bei sonst unverändertem Aufbau eine weitere Bremse 05 vorgesehen, die vorzugsweise als formschlüssiges Schaltelement ausgeführt ist, durch deren Schließen die fünfte Welle 5 des Getriebes an ein Gehäuse G des Getriebes ankoppelbar ist. Bei dieser Variante sind sechs mechanische Vorwärtsgänge, d.h. verbrennungsmotorische Gänge, und zwei Vorwärtsgänge bei rein elektrischem Fahrbetrieb realisierbar, wie aus dem entsprechenden beispielhaften Schaltschema gemäß 9 ersichtlich.
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Das Schaltschema unterscheidet sich vom Schaltschema gemäß 2 dadurch, dass sechs mechanische Vorwärtsgänge realisierbar sind, welche die Vorwärtsgänge 1–6 des Getriebes bilden. Der zusätzliche mechanische Vorwärtsgang ergibt sich durch Schließen der weiteren Bremse 05 und der dritten Kupplung 34 und bildet den ersten Vorwärtsgang des Getriebes, so dass der erste Vorwärtsgang nicht durch Schließen der dritten Kupplung 34 über eine EDA-Verschaltung geschaltet wird. Die übrigen Vorwärtsgänge 2–6 und die elektromotorisch angetriebenen Vorwärtsgänge E1 und E2 entsprechen den Gängen 2–6 bzw. E1 und E2 gemäß dem Schaltschema nach 2.
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In vorteilhafter Weise kann zusätzlich zu den Schaltungen 2–3, 3–4, 4–5 auch die Schaltung vom ersten in den zweiten Vorwärtsgang als Lastschaltung, nämlich als elektrodynamische Schaltung (EDS), ausgeführt werden, wobei die dritte Kupplung 34 geschlossen bleibt. Ferner ist ein EDA-Anfahren möglich, wobei zu diesem Zweck die dritte Kupplung 34 geschlossen wird. Der EDA-Betrieb kann durch Schließen der weiteren Bremse 05 durch Einlegen des ersten Vorwärtsganges beendet werden. Zudem kann im EDA-Betrieb bis zum zweiten, dritten oder vierten Vorwärtsgang gefahren werden, wobei durch Schließen des weiteren, dem jeweiligen Gang zugeordneten Schaltelementes, der EDA-Betrieb beendet und der entsprechende Vorwärtsgang des Getriebes geschaltet wird. Durch Schließen der zweiten, vierten oder ersten Kupplung 25, 35, 16 wird somit der zweite, dritte bzw. vierte Vorwärtsgang des Getriebes geschaltet.
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Bei dem in 8 gezeigten Getriebe können z.B. die Bremsen 04, 05 oder die weitere Bremse 05 und die zweite oder vierte Kupplung 25, 35 jeweils in einem Doppelschaltelement mit einem gemeinsamen Aktuator zusammengefasst werden, da diese Schaltelemente eine gemeinsame Welle aufweisen und nicht in einem der Gänge gleichzeitig geschalten werden müssen. Dies resultiert in vorteilhafter Weise in einem geringen Bauaufwand und entsprechend geringeren Kosten.
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Gegenstand der 10 ist ein Getriebe, welches sich bei sonst unverändertem Aufbau aus dem Getriebe gemäß 3 dadurch ergibt, dass eine weitere Bremse 05 vorgesehen ist, die vorzugsweise als formschlüssiges Schaltelement ausgeführt ist, durch deren Schließen die fünfte Welle 5 des Getriebes an ein Gehäuse G des Getriebes ankoppelbar ist. Das dieser Ausgestaltung entsprechende Schaltschema entspricht dem Schaltschema nach 9 mit dem Unterschied, dass die Funktionalität der ersten Kupplung 16 gemäß 8 durch die Funktionalität der ersten Kupplung 46, welche die vierte Welle 4 mit der sechsten Welle 6 lösbar verbindet, ersetzt wird. Analog dazu kann der EDA-Betrieb durch Schließen der ersten Kupplung 46 gemäß 10 beendet werden, wodurch der vierte Vorwärtsgang des Getriebes geschaltet wird. Ferner bleibt bei einer EDS-Lastschaltung vom vierten in den fünften Vorwärtsgang und vom fünften in den sechsten Vorwärtsgang die erste Kupplung 46, welche die vierte Welle 4 mit der sechsten Welle 6 lösbar verbindet, geschlossen.
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In 11 ist ein Getriebe dargestellt, welches sich bei sonst unverändertem Aufbau aus dem Getriebe gemäß 4 dadurch ergibt, dass eine weitere Bremse 05 vorgesehen ist, die vorzugsweise als formschlüssiges Schaltelement ausgeführt ist, durch deren Schließen die fünfte Welle 5 des Getriebes an ein Gehäuse G des Getriebes ankoppelbar ist. Das dieser Ausgestaltung entsprechende Schaltschema entspricht dem Schaltschema nach 9 mit dem Unterschied, dass die Funktionalität der ersten Kupplung 16 gemäß 8 durch die Funktionalität der ersten Kupplung 26, welche die Abtriebswelle 2 mit der sechsten Welle 6 lösbar verbindet, ersetzt wird. Analog dazu kann der EDA-Betrieb durch Schließen der ersten Kupplung 26 gemäß 11 beendet werden, wodurch der vierte Vorwärtsgang des Getriebes geschaltet wird. Ferner bleibt bei einer EDS-Lastschaltung vom vierten in den fünften Vorwärtsgang und vom fünften in den sechsten Vorwärtsgang die erste Kupplung 26, welche die vierte Welle 4 mit der sechsten Welle 6 lösbar verbindet, geschlossen.
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Auch bei den Ausgestaltungen gemäß 8, 10 und 11 können zur Ermöglichung einer Front-Quer- oder Heck-Quer-Anordnung des Getriebes die Planetenradsätze axial betrachtet antriebsseitig in Kraftflussrichtung im Zugbetrieb des Verbrennungsmotors, welcher mit dem Getriebe verbindbar ist, in der Reihenfolge dritter Planetenradsatz RS3, zweiter Planetenradsatz RS2, erster Planetenradsatz RS2 angeordnet sein, wie anhand 12, 13 bzw. 14 veranschaulicht. Durch die unterschiedliche Anordnung der Planetenradsätze bleiben die Schaltschemata unverändert.
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Wie bereits ausgeführt, kann zumindest einer der bei den gezeigten Beispielen als Minus-Planetenradsätze ausgeführten Planetenradsätze des Getriebes als Plus-Planetenradsatz ausgeführt sein, wenn gleichzeitig die Steg- und Hohlradanbindung getauscht und der Betrag der Standgetriebeübersetzung im Vergleich zu der Ausführung als Minus-Planetenradsatz um 1 erhöht wird. Beispielsweise kann bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 der zweite Planetenradsatz RS2 als Plus-Planetenradsatz ausgeführt sein, wenn bei sonst unverändertem Getriebeaufbau die sechste Welle 6 mit dem Hohlrad und die Abtriebswelle 2 mit dem Steg des zweiten Planetenradsatzes RS2 drehfest verbunden sind. Um die gleichen Übersetzungen wie bei der Ausführung gemäß 1 bei sonst unverändertem Getriebeaufbau zu erzielen, wird der Betrag der Standgetriebeübersetzung des zweiten Planetenradsatzes RS2 im Vergleich zu der Ausführung als Minus-Planetenradsatz um 1 erhöht.
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Erfindungsgemäß ist es ferner optional möglich, an jeder geeigneten Stelle des Mehrstufengetriebes zusätzliche Freiläufe vorzusehen, beispielsweise zwischen einer Welle und dem Gehäuse oder um zwei Wellen gegebenenfalls zu verbinden.
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Auf der Antriebsseite oder auf der Abtriebsseite können ein Achsdifferential und/oder ein Verteilerdifferential angeordnet werden.
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Das erfindungsgemäße Mehrstufengetriebe ermöglicht außerdem die Anordnung eines Torsionsschwingungsdämpfers zwischen Antriebsmotor und Getriebe.
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Im Rahmen einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann auf jeder Welle, bevorzugt auf der Antriebswelle 1 oder der Abtriebswelle 2, eine verschleißfreie Bremse, wie z.B. ein hydraulischer oder elektrischer Retarder oder dergleichen, angeordnet sein, was insbesondere für den Einsatz in Nutzkraftfahrzeugen von besonderer Bedeutung ist. Des Weiteren kann zum Antrieb von zusätzlichen Aggregaten auf jeder Welle, bevorzugt auf der Antriebswelle 1 oder der Abtriebswelle 2, ein Nebenabtrieb vorgesehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 0
- Welle
- 1
- erste Welle, Antriebswelle
- 2
- zweite Welle, Abtriebswelle
- 3
- dritte Welle
- 4
- vierte Welle
- 5
- fünfte Welle
- 6
- sechste Welle
- 04
- Bremse
- 05
- weitere Bremse
- 16
- erste Kupplung
- 25
- zweite Kupplung
- 26
- erste Kupplung
- 34
- dritte Kupplung
- 35
- vierte Kupplung
- 46
- erste Kupplung
- EM
- Elektromaschine
- G
- Gehäuse
- RS1
- erster Planetenradsatz
- RS2
- zweiter Planetenradsatz
- RS3
- dritter Planetenradsatz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012212257 A1 [0004, 0009]
